固定化柵藻對(duì)養(yǎng)殖廢水的凈化效果及生長(zhǎng)研究

楊 坤，侯冠軍*，趙秀俠，高 遠(yuǎn)

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水產(chǎn)研究所，水產(chǎn)增養(yǎng)殖安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.安徽萬(wàn)水源水產(chǎn)養(yǎng)殖科技有限公司，安徽 宿州 234200)

微藻固定化技術(shù)是將游離的微藻細(xì)胞固定在載體上，成為固體生物催化劑而加以利用的一門技術(shù)。固定化能夠顯著提高藻細(xì)胞的穩(wěn)定性、壽命等，并便于收集[1]。就目前而言，固定方法中將微藻細(xì)胞包裹于凝膠聚合物中的“包埋法”因具有操作相對(duì)簡(jiǎn)便、成本較低、對(duì)細(xì)胞傷害較小、細(xì)胞保留量較大等優(yōu)點(diǎn)而常被采用[2]。

針對(duì)含氮、磷豐富的污水，柵藻(Scenedesmussp.)和小球藻(Chlorellasp.)是使用較多的凈化藻種。已有報(bào)道表明，與懸浮培養(yǎng)相比，包埋固定化方式提高了藻細(xì)胞對(duì)污水中氮磷污染物的轉(zhuǎn)化率或降解效率[3-5]。本文通過(guò)對(duì)斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)的固定，比較了不同包埋密度的藻球?qū)︷B(yǎng)殖廢水中可溶性磷酸鹽(以下簡(jiǎn)稱磷酸鹽)和氨氮的凈化效果，同時(shí)對(duì)比了各處理組藻細(xì)胞的生長(zhǎng)狀況，以期為應(yīng)用固定化微藻技術(shù)處理養(yǎng)殖廢水提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 藻種

供試斜生柵藻(FACHB-12)購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院淡水藻種庫(kù)。擴(kuò)大培養(yǎng)條件：環(huán)境溫度25℃，光照度2 400 lx，光暗比12 h∶12 h。培養(yǎng)基為經(jīng)過(guò)滅菌的BG-11培養(yǎng)基。

1.1.2 養(yǎng)殖廢水

選用安徽萬(wàn)水源水產(chǎn)養(yǎng)殖科技有限公司的黃河鯉養(yǎng)殖廢水，經(jīng)0.45 μm微孔濾膜抽濾后備用，測(cè)定抽濾液的磷酸鹽和氨氮質(zhì)量濃度分別為0.065 mg/L和0.438 mg/L。

1.1.3 藻球的制備與脫固定

在預(yù)試驗(yàn)中，采用2種海藻酸鈉濃度(20和50 g/L)與2種膠藻體積比(海藻酸鈉∶藻細(xì)胞濃縮液=1∶1和2∶1)制作固定化藻球，分別評(píng)價(jià)其成球情況。將進(jìn)入穩(wěn)定生長(zhǎng)期的柵藻離心濃縮(3 000 r/min，10 min)，棄去上清液，用生理鹽水懸浮洗滌2次，去除藻細(xì)胞表面培養(yǎng)基，再離心收集，制成藻細(xì)胞濃縮液后與海藻酸鈉溶液(海藻酸鈉溶液濃度及混合比例參見(jiàn)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果)均勻混合，形成微藻和海藻酸鈉的混合液。用10 mL一次性注射器吸取混合液，在距離預(yù)冷的5% CaCl2溶液液面上方20 cm處勻速滴入，即形成直徑3.5 mm左右的小球。全部滴加完畢后，攪拌2 h以增加其硬度。取出后用蒸餾水洗滌2次備用。

在測(cè)定固定化藻細(xì)胞密度時(shí)需先脫固定：將每瓶中的固定化藻球全部加入盛有50 mL 5%檸檬酸鈉(Na3C6H5O7)化解液的錐形瓶中，120 r/min搖床振蕩，直至固定化藻球完全溶解。再用魯哥氏液固定，血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)藻細(xì)胞密度，每個(gè)樣品計(jì)數(shù)3次，取平均值。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理組，每個(gè)處理組設(shè)3個(gè)重復(fù)。各組柵藻的包埋密度分別為2.52×104cells/mL(S-1)、1.26×106cells/mL(S-50)和2.52×106cells/mL(S-100)。制成藻球后投放到含500 mL廢水抽濾液的錐形瓶中，每瓶接種400粒左右，使得藻球質(zhì)量達(dá)到(12.00±0.10) g/瓶。培養(yǎng)條件同擴(kuò)大培養(yǎng)。每天定時(shí)測(cè)定水中磷酸鹽和氨氮濃度。培養(yǎng)結(jié)束后脫固定，測(cè)定藻細(xì)胞密度。

1.3 水質(zhì)測(cè)定

參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》(國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2002)測(cè)定水中氮磷含量。氨氮測(cè)定采用納氏試劑分光光度法，磷酸鹽測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法。

氮、磷的去除率P根據(jù)公式(1)計(jì)算：

P=(Cn-C0)/C0×100%

(1)

式中：Cn為取樣時(shí)段水中氮、磷的質(zhì)量濃度(mg/L)；C0為氮、磷的初始質(zhì)量濃度(mg/L)。

1.4 生長(zhǎng)速率K

根據(jù)公式(2)計(jì)算：

K=(lgSn-lgS0)/n

(2)

式中：Sn為經(jīng)過(guò)n天培養(yǎng)后的柵藻密度(ind./mL)；S0為初始藻細(xì)胞密度(ind./mL)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)、圖表運(yùn)用Excel 2007進(jìn)行處理。采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行方差分析。以P<0.05作為差異顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 藻球制備預(yù)試驗(yàn)結(jié)果

表1 固定化條件預(yù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The pretest result on selection of immobilization conditions

根據(jù)預(yù)處理試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)選擇的固定化條件為：采用20 g/L的海藻酸鈉溶液，V海藻酸鈉∶V藻細(xì)胞濃縮液=2∶1。

2.2 不同藻細(xì)胞包埋密度對(duì)磷酸鹽和氨氮去除效果的影響

不同細(xì)胞密度藻球?qū)α姿猁}和氨氮的去除效果見(jiàn)圖1、2。由圖中可以看出，經(jīng)過(guò)藻球的凈化，3個(gè)處理組中磷酸鹽和氨氮含量均大幅減少。第3天末，S-1、S-50和S-100組對(duì)磷酸鹽的去除率分別為52.78%、69.44%和83.33%；第7天的去除率分別為61.11%、83.33%和88.89%。對(duì)氨氮的終末去除率分別為39.95%、50.00%和57.53%。

從不同處理組的凈化效果來(lái)看：包埋的藻細(xì)胞密度越高，磷酸鹽的去除效果越佳，細(xì)胞密度對(duì)水體中磷酸鹽的去除率有顯著影響(P<0.05)。同樣， 氨氮的去除率也隨著藻細(xì)胞包埋密度的增加而增大，不同處理組間差異顯著(P<0.05)。當(dāng)藻細(xì)胞包埋密度為2.52×106cells/mL，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)磷酸鹽和氨氮的去除率達(dá)到最大，分別為88.89%和57.53%。

2.3 不同藻細(xì)胞包埋密度對(duì)柵藻生長(zhǎng)的影響

各處理組藻細(xì)胞終密度和生長(zhǎng)速率見(jiàn)表2。S-1、S-50和S-100組中柵藻的生長(zhǎng)速率分別為0.145、0.043和0.029，直觀分析可知生長(zhǎng)速率S-1>S-50>S-100，即隨著藻細(xì)胞包埋密度的增大，生長(zhǎng)速率逐漸降低。單因素方差分析的結(jié)果顯示，包埋藻密度對(duì)柵藻生長(zhǎng)的影響存在顯著差異(P<0.05)。

表2 各處理組藻細(xì)胞的生長(zhǎng)情況Tab.2 The growth of immobilized algae in different groups

注：同行不同小寫字母表示處理間差異顯著。
Note：Different lowercases in the same row indicated significant differences.

3 討論

本試驗(yàn)結(jié)果中，藻細(xì)胞包埋密度與生長(zhǎng)速率呈負(fù)相關(guān)。有學(xué)者分析，藻球中藻類的生長(zhǎng)可以引起以下效應(yīng)：一方面，藻球傳質(zhì)阻力增加，CO2、O2及營(yíng)養(yǎng)鹽在藻球中的擴(kuò)散速度降低；另一方面，藻細(xì)胞密度較大的藻球，藻細(xì)胞互相遮擋光線，藻球通透性降低[12]。這些因素均可導(dǎo)致后續(xù)藻細(xì)胞的增殖受到影響，而且初始包埋密度越大，上述效應(yīng)發(fā)生的越明顯。分析這可能是低包埋密度組的生長(zhǎng)速率反而高于中、高包埋密度組的原因。

固定化微藻技術(shù)在廢水處理耦合生物質(zhì)生產(chǎn)方面具有良好的應(yīng)用前景。但是本試驗(yàn)過(guò)程是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上進(jìn)行的，要在生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用仍存在一些問(wèn)題，例如：如何降低廢水的預(yù)處理成本、如何尋找到廉價(jià)且效果良好的固定化載體以及如何開(kāi)發(fā)出高效的微藻固定化反應(yīng)器等等，這些都是在日后的科研探索中需要面對(duì)與解決的問(wèn)題。